Synthèse et réactivité des arylzinciques

Synthèse et réactivité des arylzinciques

Deux principales voies existent pour la formation des arylzinciques : soit l’insertion directe du zinc dans une liaison carbone-halogène, soit la transmétallation depuis une autre espèce organométallique. La méthode mise au point par Corinne Gosmini, utilisant la catalyse au cobalt, consiste en quelque sorte en une synthèse de ces deux voies.

Synthèse des arylzinciques 

Par insertion directe
Il s’agit, au premier abord, de la façon la plus simple de former les halogénures d’arylzinc. Le principe est proche de celui, bien connu, de la synthèse de Grignard : le zinc métallique s’insère directement dans la liaison carbone-halogène. Dans ce cas, le zinc doit être activé afin de pouvoir s’incérer de façon efficace. Plusieurs méthodes d’activation ont été mises au point au cours du XXème siècle, mais les plus couramment utilisés aujourd’hui pour la synthèse des arylzinciques sont les méthodes de Rieke et de Knochel .

La méthode de Rieke consiste en l’obtention d’une forme de zinc déjà activé, cette forme de zinc étant appelée « Zinc de Rieke ». Il est formé par réduction du chlorure de zinc (II) par le lithium en présence d’une quantité catalytique de naphtalène . Le zinc ainsi activé peut alors être stocké, et est d’ailleurs commercial. Les résultats obtenus par Knochel, et qui sont présentés ci-dessous laissent supposer que la présence du chlorure de lithium, produit lors de cette réaction, peut participer à l’activité remarquable du zinc de Rieke. Il a d’ailleurs été montré que le zinc activé obtenu par la réduction du chlorure de zinc par le potassium était moins réactif que celui obtenu par la méthode décrite ci-dessus.

La réaction de formation des arylzinciques est alors effectuée en mettant un bromure ou, préférentiellement, un iodure aromatique en présence du zinc de Rieke dans un solvant éthéré, en général le THF  . Si la réaction avec les bromures d’aryle nécessite un chauffage, celle avec les iodures aromatiques peut-être réalisée à température ambiante. Cette méthode a permis à Rieke d’obtenir une large variété d’arylzinciques fonctionnalisés , et certains sont aujourd’hui commerciaux, en tant que solution dans le THF.

La méthode de Knochel consiste également en l’activation du zinc, cette fois par l’addition de chlorure de lithium  . La présence de celui-ci permet la formation d’adduits entre le sel alcalin et l’arylzincique. Dans ce cas, le zinc métallique, sous forme de poudre de haute surface spécifique, est activé par l’addition d’une quantité catalytique de chlorure de triméthylsilane et de 1,2-dibromoéthane, qui permettent de « nettoyer » la surface de la poudre des oxydes de zinc qui la recouvrent. Contrairement au zinc de Rieke, le zinc n’est pas stocké, mais est utilisé directement, en le mettant en présence de l’halogénure aromatique choisi.

Par transmétallation 

La formation de l’arylzincique peut également être obtenue par transmétallation à partir d’un autre organométallique. Ainsi, un aryllithien ou un arylmagnésien est additionné à un halogénure de zinc anhydre, permettant la formation de l’arylzincique sous forme d’un adduit avec les sels de lithium ou de magnésium issus de la transmétallation .

Il va sans dire que dans ce cas, les fonctionnalités pouvant être introduites sont alors limitées par la formation préalable d’espèces organométalliques fort réactives. Cependant, Knochel, entre autres, a pu montrer qu’un contrôle strict de la température, ainsi que l’utilisation de l’échange halogène-magnésium, permettait d’obtenir certaines fonctionnalités considérées comme sensibles sur le magnésien de départ, permettant la formation d’arylzinciques présentant diverses fonctionnalités.

Utilisation de la catalyse au cobalt

Notre équipe a pu montrer, il y a maintenant une décennie, que la présence de simple sels de cobalt permettait une synthèse simple et efficace des arylzinciques . Cette synthèse, dérivée des synthèses des arylzinciques par électrochimie , possède plusieurs avantages : tout d’abord, l’activation conjointe du zinc et du cobalt est simple, rapide, et facile à suivre (évolution de gaz et de la température, changements de couleurs). Les espèces utilisées ne nécessitent aucune précaution particulière dans leur manipulation. Finalement, l’utilisation de solvants distillés et d’une atmosphère inerte n’est pas nécessaire, n’apportant pas d’amélioration notable des rendements.

L’activation est réalisée en ajoutant à un mélange (hétérogène) de cobalt et de poudre de zinc dans l’acétonitrile du chlorure d’allyle et des traces d’acide trifluoroacétique. Cette étape accomplit trois objectifs : tout d’abord, elle permet la formation d’espèces de cobalt réduit, au degré d’oxydation +I ; la réduction du cobalt (II) en cobalt (I) est réalisée par le zinc métallique, et libère des halogénures de zinc (II), ce qui évite la manipulation de ces espèces fortement hygroscopiques. Finalement, l’activation permet de « nettoyer » le milieu réactionnel, notamment des traces de protons acides, ce qui permet de réduire la quantité de produit d’hydrolyse à une portion congrue, augmentant par là même les rendements obtenus. Le rôle de l’acide est de décaper la surface des particules de zinc, tandis que le chlorure d’allyle, introduit à raison de trois équivalents par rapport au cobalt, permet de faciliter la réduction du cobalt (II) en consommant le cobalt réduit pour former un complexe allylecobalt, qui libère ensuite du propène.

Une fois l’étape d’activation effectuée, l’halogénure aromatique est ajouté au milieu réactionnel. La formation de l’arylzincique dure entre 30 minutes et 1h, et s’effectue avec des rendements compris entre 70% et 95%, selon la nature et la position des substituants. Deux sous produits sont obtenus en plus de l’arylzincique : le produit de réduction formelle de l’halogénure aromatique (« ArH »), et le produit d’homodimérisation (« ArAr »).

Ce cycle permet d’expliquer la formation des sous-produits observés : en effet, les diverses espèces arylcobalt intermédiaires peuvent être hydrolysées par des protons suffisamment acides présents dans le milieu. De plus, l’arylcobalt (I) peut également s’additionner oxydativement dans un second équivalent d’halogénure d’aryle, formant un diarylcobalt (III) qui peut alors libérer, par élimination réductrice, le biaryle symétrique et le bromure de cobalt (I). Cependant, cette voie réactionnelle est en compétition avec la transmétallation, et la présence d’une quantité suffisante de sels de zinc (II) (formés pendant l’activation) permet de favoriser cette dernière.

Cette méthode apparaît comme une insertion directe au vu de son bilan, mais repose sur une transmétallation à partir d’un organométallique, formé de façon catalytique. Finalement, il convient de noter que la synthèse des arylzinciques à partir des chlorures et triflates aromatiques est également possible à l’aide de la catalyse au cobalt. Dans ces deux cas, les conditions sont légèrement différentes (addition de pyridine comme cosolvant, plus grande quantité de cobalt).

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre 1 : Synthèse et réactivité des arylzinciques
I. Synthèse des arylzinciques
A. Par insertion directe
B. Par transmétallation
C. Utilisation de la catalyse au cobalt
II. Réactivité des bromures d’arylzinc
III. Résultats préliminaires
A. Complexes bidentes du bromure de Cobalt (II)
B. Synthèse de bromures d’arylzinc avec [CoBr2(bpy)] et [CoBr2(phen)]
C. Filtration des bromures d’arylzinc
Chapitre 2 : Arylation des Bromoalcynes
I. Formation de phénylacétylènes: rappels bibliographiques
A. Réactions de couplage impliquant des électrophiles aromatiques
1. Obtention des alcynes terminaux et des acétylures
2. Réactions impliquant un nucléophile stœchiométrique
3. Réactions des alcynes terminaux
B. Réactions de couplage impliquant des nucléophiles aromatiques
1. Formation des dérivés d’alcynes électrophiles
2. Réactions impliquant un nucléophile stœchiométrique
II. Réaction de couplage catalysée par le Cobalt entre les arylzinciques et les bromoalcynes
A. Optimisation des conditions réactionnelles
B. Etendue de la réaction
1. Arylzinciques
2. Bromoalcynes
C. Seconde génération de système catalytique : Optimisation
D. Etendue de la réaction
1. Bromoalcynes portant un groupement alkyl
2. Bromoalcynes portant un groupement aryl
E. Limitations
F. Mécanisme proposé
G. Extension de la réaction aux bromures d’alkylzinc
III. Conclusion et perspectives
Chapitre 3 : Arylzincation des alcynes internes
I. Introduction, rappels bibliographiques
A. Réactions avec les alcynes substitués par des groupements carbonés
1. Carbolithiations
2. Carbomagnésiations
3. Carbocuprations
4. Carboboration
5. Carbostannylation
6. Carboalumination
7. Carbozirconation
8. Carbozincation
II. Arylzincation des alcynes internes catalysée par le cobalt
A. Première approche
B. Optimisation des conditions réactionnelles
C. Etendue de la réaction
1. Dialkylacétylènes
2. 1-aryl-2-alkylacétylènes
D. Fonctionnalisation des vinylzinciques
E. Limitations
F. Mécanisme proposé
A. Extension à l’arylzincation des ynamides
1. Rappels bibliographiques : carbométallation des ynamides
III. Conclusion et perspectives
Conclusion générale

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